5第二章 液压流体力学基础知识

液压系统中，流动液体的压力低于空气分离压时，溶解在液体中的空气就会游离出来，使液体产生大量的气泡，这种现象称为气穴现象。气穴现象使液压装置产生噪声和振动，使金属表面受到磨损。（一）空气分离压和饱和蒸汽压液体中均含有一定量的空气。液压油液中所含空气体积的百分数称为它的含气量。空气可溶解在液体中，也可以气泡的形式混和在液体中。空气在液体中的溶解量和液体的绝对压力成正比。如右图a）不同的液压油对空气的溶解度不同，但压力越高溶解度越大。右图b）表明，压力降低时气体会从溶解状态分离出来。二、气穴现象溶解在液体中的空气对液体的体积模量没有影响。空气分离压：在一定温度下，当液体压力低于一定值时，溶解在液体中的空气就会迅速从液体中分离出来，产生大量气泡，这个压力称为该温度下的空气分离压。含有气泡的液体体积模量将明显减小，气泡越多，液体的体积模量越小。（二）节流孔口的气穴当液流流到图示节流口的喉部位置时，流速最高，按能量方程饱和蒸汽压：在某一温度下，当液体压力下降到低于某一定值时，液体本身迅速气化，产生大量蒸汽，这时的压力称为液体在该温度下的饱和蒸汽压。通常，液体的饱和蒸汽压远低于空气分离压。2221122222ccpvpvpvgggggg由于喉部流速最高，所以该处压力最低。cp如果压力低于当时温度的空气分离压，就会发生产生气穴。液压泵吸油过程中，如果吸油口太细，阻力太大，滤网堵塞，或泵安装位置过高，转速过快等也会导致吸油腔压力低于工作温度时的空气分离压，而产生气穴。气穴会给液压系统带来很多不利影响：液流流动特性变坏，流量不稳，噪声骤增。38766C993C1149C当气泡被导入下游高压区时，气泡受高压迅速破灭，使局部产生非常高的温度和冲击压力。如在下工作的泵，当泵的输出压力分别为6.8MPa、13.6MPa、20.4MPa时，气泡破灭处的局部温度可达、、冲击压力可以达到几百兆帕。，一方面（高压和冲击）使那里的金属疲劳，另一方面（高温）又使工作介质变质，对金属产生化学腐蚀作用，因而使元件表而受到侵蚀、剥镕，或出现海绵状的小洞穴。这种因气穴产生的对金属表面的腐蚀现象，称为气蚀。（三）减小气穴的措施液压系统中，哪里压力低于空气分离压力，哪里就会出现气穴现象。防止气穴现象的发生，根本是避免液压系统压力过低。可采用如下措施：1)减小阀孔前后的压差，一般希望阀孔前后的压力比123.5pp2)正确设计和使用液压泵站。限制泵吸油口离油面高度，泵吸油口要有足够的管径，滤油器压力损失要小，自吸能力差的泵用辅助供油。3）各部分元件管路连接密封可靠，防止空气侵入4)提高零件的抗气蚀能力——采用抗腐蚀能力强的金属材料，增加零件的机械强度，减小零件表面粗糙度等第二章液压流体力学基础知识5小结（单位：）液体密度会随压力或温度变化，但变化量一般很小，在工程计算中一般不计。二.物理性质工作介质有三项物理性质与液压传动性能密切相关mv3kgm1.密度：单位体积液体所具有的质量。0P0VPV01VVPk2.可压缩性液体所受压力增高而发生体积缩小的性质。若压力为时液体的体积为，当压力增加，液体的体积减小，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：其特点是单位体积变化量，与单位压力变化量。k称为液体的压缩率。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使为正值，上式右边加一负号。（因为体积和压力变化趋势相反）液体压缩率的倒数称为液体体积模量，即:001PPKVVkVV其实质是压力变化量与单位体积液体体积变化量的比值。单位同压力单位。可以形象地理解为一种体积变化的弹性系数。表1-3是各种工作介质体积模量压缩率和液体体积模量体现了液体的可压缩性与压力的关系。如同弹簧的伸长量与弹簧力的关系。一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统影响不大，但以下相关研究必须予以考虑：①高压下；②研究系统动态性能；③计算远距离操纵的液压系统（远距离传输下，液体的体积变化累计已不能忽略）石油基液压油体积模量与温度压力有关：温度升高时，K值变小。在液压油正常工作温度范围内，K值会有5%-25%变化;压力增大时，K值增大，但这种变化不是线性关系。当P≥3MPa时，K值基本上不再增大。3.粘性粘性：液体在外力作用下流动，分子间内聚力的存在使其相互间相对运动受到牵制，从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。右图示例地说明了液体的粘性。距离为h的两块平行板中间充满液体，下板固定，上板速度为v0，由于液体和固体壁面的附着力和液体之间的粘性，会使流动液体的各个层面的速度大小不等：紧靠下平板面液体速度为零，紧靠上平板面液层速度为v0。当h较小时，中间各层液体的速度曾线性形递减规律分布。实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力与液层接触面积，液层间的速度梯度成正比，即:fduFAdyFf-液层间内摩擦力，A-液层接触面积，du/dy--液层间速度梯度，μ-粘性系数，或称动力粘度。若以τ表示液层间的切应力，即单位面积上的内摩擦力，则上式可表为：fFduAdy这就是牛顿液体内摩擦定律。dudy由上式可知，静止液体=0，故其内摩擦为零，因此，静止液体不呈现粘性，液体只在流动时才显示其粘性。2.粘性的度量度量粘性大小的物理量称为粘度。常用的有动力粘度，运动粘度，相对粘度三种。1.动力粘度μ由上式可知，动力粘度是表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。其量值等于液体以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力。dudy单位Pa·s(帕.秒)或N·s/m2（牛·秒/米2）牛顿液体:如果动力粘度只与液体种类有关，而与速度梯度无关，这种液体称为牛顿液体。否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。（即不受速度变化影响）2）运动粘度ν液体动力粘度与其密度之比（ν：音nju纽）单位m2/s（米2/秒）因其单位中只有长度和时间量纲，故称为运动粘度。3）相对粘度是根据特定测量条件制定的，故又称为条件粘度测量条件不同，采用的相对粘度单位也不同。ISO已规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。温度对粘度的影响液体的粘度对温度变化十分敏感，这是缘于温度变化使液体内聚力发生变化，温度升高，表示分子活动能力增强，故而内聚力减弱。依此可理解，温度升高，液体粘性降低。如图所示。这一特性称为液体的粘温特性。常用粘度指数VI来度量。VI表示该液体的粘度随温度变化的程度与标准液的粘度变化程度之比，粘度指数高，说明粘度随温度变化小，其粘温特性好。一般要求在90以上，优异的在100以上。系统工作温度变化大时，应选指数高的。1.压力对粘度的影响压力会影响液体分子间间距，从而影响内聚力而影响粘度。但在低压时，影响并不明显，可以忽略。当压力大于500MPa时，其影响才趋显著。压力对粘度影响按下式计算：(1)cppaaecppap-液体压力MPa,-压力为P时的运动粘度，m2/s；-大气压下的运动粘度；e-自然对数的底；c-系数，对于石油基液压油，c=0.015~0.035MPa-1)015.01(0bbbv01.气泡对粘度的影响液体混入直径为0.25~0.5mm悬浮状态气泡时，对液体的粘度有一定影响。计算：b-混入空气的体积分数（同温同压下占总体积的比）-空气体积分数为b时液体的运动粘度，m2/s；-不含空气时的运动粘度m2/s§2.2液体静力学AFpAlim0AFFpA一静压力静止液体单位面积上所受的法向力，简称压力，物理学中称压强。公式表示为（微小面积上作用有法向力）如果力F均匀作用在A上，则压力单位：Pa1Pa=1N/m2，1MPa=106Pa静压力两个特性：1）液体静压力垂直于承压面，方向和该面内法线方向一致。2）液体内任一点所受压力在各个方向上相等。静压力的单位：我国法定的压力单位为牛顿/米2(N/m2)，称为帕斯卡，简称帕(Pa)。在液压技术中，目前还采用的压力单位有巴(bar)和工程大气压、千克力每平方米(kgf/m2)等。)(atm108.9p1-6a标准大气压2a5/02.1p10b1cmkgfar（一）.静压力基本方程。二.静压力基本方程Ap0ApgAh取如图液柱作为控制体，在垂直方向上分析其受力。△A为截面面积,上表面压力：，下表面压力，液柱重力图中容器盛放静止液体，现需求出液面下深h处一点的压力。gAhApAp0ghpp0建立平衡方程：化简为：0p即为静压力基本方程，它说明静压力分布有如下特征：1)静止液体内任一点的压力由两部分组成：液面压力，和该点以上液体重力形成的压力ρgh；2)静止液体内的压力随液体深度呈线性递增；3)同一液体中，离液面相等各点压力相等。（组成等压面）（二）.静压力基本方程物理意义在坐标系0-x,z中考虑前图，如右图。基本方程可写为：)(000zzgpghpp整理得：00gzpgzp显然等式值为常数所以：00zgpzgp这是静压力基本方程的另一种形式。其中是单位重力液体的压力能,，又称作压力水头。Pgz表示单位重力液体的位能，常称作位置水头。因此静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任一点具有压力能和位能两种能量形式，其总和保持不变，即能量守恒。两种能量形式之间可以互相转换。有两种表示方法：绝对压力：以绝对零压力基准表示的压力。相对压力：以当地大气压力为基准表示的压力。多数的压力表因其外部均受大气压力作用，指示的压力均是相对压力。如不特别指明，所提到的压力均为相对压力。真空度：如液体中某点压力小于大气压力，小的那部分压力差值称为真空度。真空度=大气压力-绝对压力（三）.压力的表示方法三.帕斯卡原理由上面分析可推知，密闭容器中的液体，当外加压力p0改变时，只要液体保持静止状态，液体中任一点压力发生同样大小的变化。即：在密闭容器内，施加于静止液体上的压力，将以等值传递到液体中所有各点。这就是帕斯卡原理，或称静压传递原理。静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面会受到液体静压产生的压力。当固体壁面为平面时，作用在液面上压力的方向是相互平行的，故静压力作用在壁面的总力F等于压力p与承压面积A的乘积，作用方向垂直承压表面。F=pA四.静压力对固体壁面的作用力若固体壁面是曲面，各处压力方向不平行，因此静压力作用于某一方向x上的压力FX等于曲面在该方向投影面积AX与压力的乘积:FX=pAX以液压缸为例对上式的证实。所取微元如右图其法向受力为：dF=plrdθdplrdFdFxxcoscosxxxpAlrpdplrFdF2cos2222积分:xFxA即等于压力p与缸筒在半壁在x方向上（y轴上）的投影面积的积。帕斯卡原理应用实例帕斯卡原理应用实例，水压机原理，两缸互相联通，构成密闭容器。按帕斯卡原理，液体各处压力相等，故12PP21221211FFAFFAAA如果没有负载，略去元件重量，无论在处如何使力，均不能在液体中形成压力。2A§2.3流体的动力学流体动力学研究作用于流体上的力与流体运动之间的关系一.基本概念1.理想液体、恒定流动、一维流动理想液体：无粘性，又不可压缩的假想液体。恒定流动：液体中任何一点的压力，速度和密度都不随时间而变化的流动，如任一参数发生变化，则为非恒定流动，一维流动：液体整个做线形流动时称为一维流动，做平面，空间流动时称为二位，三维流动这三个概念都是对液体性质、运动的理想化的抽象，是研究需要的简化。•实际液体具有粘性，研究液体流动必须考虑其影响，为了研究其基本规律，必须对其做理想性化简假设。然后再考虑粘性和压缩性的作用，通过实验等方法对理想化结论进行修正。•研究液压系统的静态性能时，可以认为液体作恒定流动，但在研究其动态性能时，则必须按非恒定流动考虑。•一维流动最简单，但严格意义上的一维流动要求液流截面上的各点处速度矢量完全相同，这种情况现实极为少见。通常把封闭容器内液体的流动按一维处理。再用实验数据来修正其结果。a)流线：表示在同一瞬时，流场中各点运动状态的曲线。流线上